CN105958523A - 一种并联三端直流输电系统及其功率协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并联三端直流输电系统及其功率协调控制方法，包括LCC整流站和LCC逆变站，两个LCC换流器通过直流输电线路连接，直流输电线路上连接有一个VSC换流器，LCC整流站为定功率控制，LCC逆变站为定直流电压控制/定熄弧角控制，VSC换流器为定功率控制；首先分别获取两个整流站的直流电流指令值；当VSC换流器运行于整流模式时，LCC逆变站的电流指令值为两个整流站的直流电流指令值之和再减去一个设定的电流裕度值；当运行于逆变模式时，逆变站的电流指令值为两整流站的直流电流指令值之差再减去电流裕度值。该协调控制策略简单易用，可以避免纯LCC型多端直流各端间的复杂协调配合，具有极大的工程实用价值。

Description

一种并联三端直流输电系统及其功率协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种并联三端直流输电系统及其功率协调控制方法，属于并联多端直流输电系统领域。

背景技术

20世纪50年代以来，传统电网换相高压直流输电(Line-Commutated-Converter High Voltage Direct Current，LCC-HVDC)以其大容量远距离输电、有功功率快速可控等特点在世界范围内得到了快速的发展。但由于其采用不能自关断的晶闸管作为换流器件，需要一定强度的交流系统提供换相电压，这使其具有一定的局限性，突出表现为换相失败问题。换相失败的发生严重限制了直流系统传输功率，使得传输功率从正常值突然下降到很小的值甚至是零，为整个交-直-交系统带来巨大的扰动。

现有技术中，从拓扑结构上对换流器进行的改进主要包括电容器换相换流器(Capacitor Commutated Converter，CCC)、可控串联电容器换流器(ControlledSeries Capacitor Converter，CSCC)和电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)等。但是上述三种换流器均存在着一定的缺点。其中，CCC存在以下问题：当三个换相电容器上的电压不平衡时，逆变器的换相性能将变坏；在换相故障时，电容器持续充电至过电压，换流器将失去自恢复能力；引入的电容器造成直流输电系统中的电流谐波污染问题。与CCC把电容器放在换流变压器阀侧不同，CSCC把电容器放在换流变压器网侧，并可对电容值进行动态调整，但本质与CCC相似。VSC虽然没有换相失败问题，但其在远距离大容量输电中无法替代LCC-HVDC的地位目前世界范围内多端直流因受其控制系统复杂、高压大容量直流断路器研制困难等因素制约，发展极为缓慢。

而且，世界上真正意义上的多端直流只有两个：意大利-科西嘉-撒丁岛三端直流和魁北克-新英格兰的五端直流(后者实际上仍以三端方式运行)。并且，现有的双端LCC型直流输电系统难以引出功率支路，成本太高且控制复杂，如果引出一个同型LCC的功率分支站，其代价跟大容量主站几乎相当，因此极不经济，并且功率协调控制的策略十分繁琐，控制可靠性较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种并联三端直流输电系统，用于解决现有当中的三端直流输电系统投入成本较高的问题。本发明同时提供一种并联三端直流输电系统功率协调控制方法。

为实现上述目的，本发明的方案包括：一种并联三端直流输电系统，包括两个LCC换流站，每个换流站中设置有对应的LCC换流器，所述两个LCC换流站的直流侧通过直流输电线路进行连接，所述直流输电线路上连接有一个VSC换流站，所述VSC换流站中设置有VSC换流器。

所述VSC换流器由全桥MMC子模块组成。

一种专用于上述并联三端直流输电系统的并联三端直流输电系统功率协调控制方法，两个LCC换流站中，第一LCC换流站作为LCC整流站，第二LCC换流站作为LCC逆变站，LCC整流站为定功率控制，LCC逆变站为定直流电压控制/定熄弧角控制，VSC换流站为定功率控制；

所述功率协调控制方法包括以下步骤：

(1)首先分别获取第一LCC换流站和VSC换流站的直流电流指令值；

(2)当VSC换流站运行于整流模式时，第二LCC换流站的电流指令值为第一LCC换流站和VSC换流站的直流电流指令值之和再减去一个设定的电流裕度值；当VSC换流站运行于逆变模式时，第二LCC换流站的电流指令值为第一LCC换流站和VSC换流站的直流电流指令值之差再减去所述电流裕度值；根据计算得到的电流指令值进行功率协调控制。

本发明提供的并联三端直流输电系统在原有的两端LCC输电系统中的基础上，从直流输电线路上引出一个VSC功率子站，VSC站相较于LCC站，投入成本较低，因为两个LCC站容量较大，中间引出的VSC站容量较小(通常只有LCC站的30％以下)。如果不使用VSC换流器，而使用LCC换流器，为了提高三端系统的暂态性能，需要选取具有较大过流能力的换流阀(通常与大容量LCC站接近)，增大换流变的备用容量，增大平波电抗器，以及增配STATCOM以提高暂态电压稳定性；但是，如果使用VSC换流器，则无需采取上述措施，而且VSC换流器无需配置滤波器组。因此，在并联三端直流输电系统中，采用VSC换流器的综合成本要比采用LCC换流器低。

而且，引入VSC站能够有效提升直流输电系统的容量以及提升对故障的应对能力，满足世界对于并联三端直流输电系统的需求。并且由于该VSC换流站可以输出负电压，因此可以抑制直流线路故障，配合直流系统的故障再起动，该直流输电系统可以应用于直流架空线场合。该三端直流输电系统在功率协调控制时，能够达到类常规双端直流的功率协调控制，因此协调控制策略大大简化，避免电压控制站的电流裕度丢失，协调控制策略简单易用，可以避免纯LCC型多端直流各端间的复杂协调配合，具有极大的工程实用价值。本发明可满足并联三端直流输电系统正常及故障暂态下运行的需要，确保直流电压控制站的电流裕度不丢失。即使在站间通信失败的运行工况下，也不会导致直流系统电压崩溃。对于传统多端直流输电无法实现在线功率翻转的缺陷，本发明提供了一种可行的解决方案。

附图说明

图1是并联三端直流输电系统的结构示意图；

图2是VSC换流器的拓扑结构示意图；

图3是功率协调控制的控制策略原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，为本发明提供的并联三端直流输电系统，包括两个电网换相电流源换流器(Line-Commutated Converter，LCC)，LCC换流器以及相应的其他设备构成换流站，分别为站A和站C，站A对应着第一LCC换流器，站C对应第二LCC换流器。站A的直流侧和站C的直流侧之间连接有直流输电线路，在该直流输电线路上引出一个功率子站B，该功率子站B主要由一个电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)构成。如图2所示，VSC换流器由全桥模块化多电平子模块(Full Bridge Modular Multilevel Converter，FB-MMC)组成。这三个换流器分别构成的换流站A、站B和站C共同构成本发明的并联三端直流输电系统。

在本实施例中，假设站A与站B为整流站，站C为逆变站，正常运行时站C为电压控制站。

由于该VSC换流器可以输出负电压，因此该换流器可以抑制直流线路故障，配合直流输电系统的故障再起动，所以该VSC换流器可以应用于直流架空线场合。

VSC换流站(FB-MMC)既可以改变电流极性也可以改变电压极性；LCC换流站可以改变电压极性，但无法改变电流极性。因此，在两个LCC换流站间功率方向不变的情况下，VSC换流站通过改变电流方向即可改变自身的功率方向，实现功率翻转；当在两个LCC换流站间功率方向需要改变的情况下，LCC站必须改变电压极性，VSC换流站也必须改变电压极性，此时若VSC换流站不改变电流极性，功率方向自然反向。所以，VSC型换流站功率反转存在两种情形，①LCC型换流站功率不反转时，VSC换流站的功率反转只需反转电流，电压极性不变；②LCC型换流站功率反转时，VSC换流站的功率反转只需反转电压极性。总之，VSC换流站改变功率方向的实现方式有两种：1)保持电流方向不变，改变电压极性。2)保持电压方向不变，改变电流极性。

该三端直流输电系统在控制时，采用扩展电流裕度配合方式，即：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{d0i}={\mathrm{\ΔI}}_{d0}$

上式中当换流站整流运行时电流指令定值为正，反之为负。ΔI_d0为电流裕度，典型值为0.1pu。该直流输电系统正常运行时，务必保证电压控制站的电流裕度，否则要么导致直流输电系统整体功率失控或小容量换流站过载，要么导致直流输电系统电压崩溃。

该并联三端直流系统直流功率协调控制策略为：LCC型逆变站C处于定直流电压控制/定熄弧角控制方式，LCC型整流站A处于定直流功率控制，VSC功率分支站B处于定直流功率控制方式。把电流裕度值配置于电压控制方式下的换流站，然后依靠直流系统的自动配合实现上述控制方式配合。

在本实施例中，该三端直流输电系统由专门的控制系统来进行运行控制，所以该三端直流输电系统的功率协调控制策略由配置在控制系统中的MasterControl功能包实现，两个LCC换流站上均分别可配置一个Master Control功能包，但直流输电系统正常运行时，两个功能包可以根据实际情况进行激活。本发明的重点在于控制策略的实施，所以，只要能够实施该控制策略，是可以：有且仅有一个Master Control功能包激活。

设置的Master Control既可以依靠站间通信的方式来实现各换流站间的直流功率协调，也可在站间通信失败的情形下，依据根据的实测直流电流和电流指令存储等方式来实现各端的直流功率协调，保证电压控制站的电流裕度。在各换流站间通信正常和失败两种工况下，都能正常工作，保证三端直流输电系统的稳定运行。

如图3所示，首先，该直流输电系统根据下达的直流功率定值，利用功率控制站A的直流电压算出站A的直流电流指令值；VSC型功率分支站B处于定直流功率模式，因此按同样方法可以得到该支路的直流电流指令值。

然后，对于逆变站C，它根据站A与功率分支站B的电流指令值就可得到本站的直流电流指令，这里存在两种不同的运行工况：

当功率分支站B运行于整流模式时，逆变站C的电流指令值为两整流站的电流指令值之和再减去一个设定的电流裕度值；

当功率分支站B运行于逆变模式时，逆变站C的电流指令值为站A与功率分支站B的电流指令值之差再减去上述设定的电流裕度值。

而电流裕度值根据实际所需进行设定。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种并联三端直流输电系统，其特征在于，包括两个LCC换流站，每个换流站中设置有对应的LCC换流器，所述两个LCC换流站的直流侧通过直流输电线路进行连接，所述直流输电线路上连接有一个VSC换流站，所述VSC换流站中设置有VSC换流器。

2.根据权利要求1所述的并联三端直流输电系统，其特征在于，所述VSC换流器由全桥MMC子模块组成。

3.一种专用于权利要求1所述并联三端直流输电系统的并联三端直流输电系统功率协调控制方法，其特征在于，两个LCC换流站中，第一LCC换流站作为LCC整流站，第二LCC换流站作为LCC逆变站，LCC整流站为定功率控制，LCC逆变站为定直流电压控制/定熄弧角控制，VSC换流站为定功率控制；

所述功率协调控制方法包括以下步骤：

(1)首先分别获取第一LCC换流站和VSC换流站的直流电流指令值；

(2)当VSC换流站运行于整流模式时，第二LCC换流站的电流指令值为第一LCC换流站和VSC换流站的直流电流指令值之和再减去一个设定的电流裕度值；当VSC换流站运行于逆变模式时，第二LCC换流站的电流指令值为第一LCC换流站和VSC换流站的直流电流指令值之差再减去所述电流裕度值；根据计算得到的电流指令值进行功率协调控制。